Προσομοίωση διάδοσης κυματισμών κοντά στην ακτή με χρήση μεθόδων CFD

Χανιώτης, Βασίλειος

Simulation of water waves propagation nearshore using CFD methods

Διπλωματική εργασία

Author

Χανιώτης, Βασίλειος

Date

2021-03-04

Advisor

Gerostathis, Theodoros

Διπλωματική εργασία (3.303Mb)

Keywords

Διάδοση κυματισμού ; Υπολογιστική ρευστοδυναμική ; Αριθμητική δεξαμενή ; Ζώνη χαλάρωσης ; Επίδραση της ρήχωσης ; Θραύση κυματισμού

Abstract

Η προσομοίωση με μεθόδους υπολογιστικής ρευστοδυναμικής αποτελεί ένα αξιόπιστο και σημαντικό εργαλείο για τους ερευνητές και τη βιομηχανία. Η παρούσα εργασία αποσκοπεί στη μελέτη διάδοσης κυματισμών κοντά στην ακτή με χρήση του ανοιχτού λογισμικού OpenFOAM. Συγκεκριμένα μέσω της εργαλειοθήκης waves2Foam και της τεχνικής της ζώνης χαλάρωσης (relaxation zone), δίνεται η δυνατότητα προσομοίωσης της διάδοσης και απόσβεσης κυματισμών σε μια αριθμητική δεξαμενή δοκιμών (numerical wave tank). Αρχικά γίνεται αναφορά στη θεωρία γραμμικών και μη γραμμικών κυματισμών, καθώς και στα φαινόμενα που παρατηρούνται όταν ένας κυματισμός δέχεται την επίδραση του πυθμένα, έως ότου φτάσει στη ζώνη θραύσης. Στη συνέχεια αναλύονται οι βασικές εξισώσεις διατηρήσεις και η διακριτοποίηση τους με τη μέθοδο των πεπερασμένων όγκων και περιγράφονται οι βασικές διεργασίες που πρέπει να γίνουν για τον καθορισμό της αριθμητικής δεξαμενής. Στα πλαίσια αυτά, πραγματοποιήθηκε ανάλυση ευαισθησίας στις παραμέτρους καθορισμού της ζώνης χαλάρωσης με σκοπό την εύρεση της αποδοτικότερης εφαρμογής της. Τα αριθμητικά πειράματα που πραγματοποιήθηκαν είχαν ως στόχο την προσομοίωση κυματισμών που διαδίδονται πάνω από μια βυθισμένη υφαλοκρηπίδα με διαφορετικές γεωμετρίες και τη μοντελοποίηση της θραύσης του κυματισμού στην ακτή.

Abstract

Simulation with computational fluid dynamics methods is a reliable and important tool for researchers and industry. The present thesis refers to the study of propagation of incident waves nearshore using the open-source software OpenFOAM. Specifically using waves2Foam toolbox and the relaxation zone method, it is possible to make wave generation and absorption zones to simulate a numerical wave tank. At first the linear and non-linear wave theory is referred, as well as the phenomena which are observed when water waves interact with shoaling effects until the surf zone. Subsequently, the basic equations of conservation and their discretization with the Finite Volume Method -FVM are analyzed. Also, the basic processes that must be done for the definition of the numerical wave tank in OpenFOAM are described. In this context, a sensitivity analysis on the parameters of the relaxation zone is performed to find the most efficient application. The numerical experiments, in this thesis, aimed at simulating wave propagation over a submerged shelf of different geometries and the modelling of wave breaking on a slopping beach.